JP2003123793A - Cation conductor and electrochemical device - Google Patents

Cation conductor and electrochemical device

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JP2003123793A
JP2003123793A JP2001313996A JP2001313996A JP2003123793A JP 2003123793 A JP2003123793 A JP 2003123793A JP 2001313996 A JP2001313996 A JP 2001313996A JP 2001313996 A JP2001313996 A JP 2001313996A JP 2003123793 A JP2003123793 A JP 2003123793A
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Kazuaki Fukushima
和明 福島
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浩二 猪俣
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a cation conductor prevented from decomposition over a wide temperature range (0-130 deg.C at least) including a room temperature in spite of presence of water, chemically stabilized for showing high proton conductivity over a long term, capable of taking a three-dimensional crosslinked structure for securing insolubility in water in spite of increase in the number of introduced acid functional groups, and reducing fluidity at a low temperature for improvement of heat resistance and to provide an electrochemical device such as a fuel cell using this cation conductor. SOLUTION: In this cation conductor, an organic residual group -Y- having an acidic group such as SO3 H and another substituent -Z such as OH are respectively connected to a fullerene molecule, or alternatively, the fullerene molecule is connected to the inside of polymer via the substituent or the organic residual group connected to the fullerene molecule (especially, the three-dimensional crosslinked structure is formed). In this electrochemical device such as the fuel, cell, the cation conductor is arranged between a hydrogen electrode 2 and an oxygen electrode 3 to serve as a proton conduction part 1.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、プロトン伝導体等
のカチオン伝導体、及び燃料電池等の電気化学デバイス
に関するものである。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a cation conductor such as a proton conductor and an electrochemical device such as a fuel cell.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、大気汚染等の環境問題の観点か
ら、燃料電池に対して大いに関心が集められている。大
気汚染を出来る限り減らすために、自動車の排ガス対策
が重要になっており、その対策の一つとして電気自動車
が使用されているが、充電設備や走行距離などの問題で
普及にいたっていない。これに対しては、燃料電池を使
用した自動車が最も将来性があると期待され、より一層
の高効率化、小型化の検討が必要とされている。
2. Description of the Related Art In recent years, much attention has been paid to fuel cells from the viewpoint of environmental problems such as air pollution. In order to reduce air pollution as much as possible, measures against exhaust gas from automobiles have become important, and electric cars are used as one of the measures, but they have not come into widespread use due to problems such as charging equipment and mileage. On the other hand, an automobile using a fuel cell is expected to have the most potential, and it is necessary to study further higher efficiency and smaller size.

【0003】このような自動車用動力源や携帯器具の電
源に固体電解質を用いた燃料電池の研究が盛んに行われ
ている。こうした固体電解質としては、ポリパーフルオ
ロスルホン酸(デュポン社製のナフィオンなど)やポリ
モリブデン酸類などのプロトン伝導体が知られている。
Fuel cells using a solid electrolyte as a power source for such automobile power sources and portable appliances have been actively researched. Known as such solid electrolytes are proton conductors such as polyperfluorosulfonic acid (such as Nafion manufactured by DuPont) and polymolybdic acid.

【0004】これらの高分子固体電解質は、湿潤状態に
置かれると、常温付近で高いプロトン伝導性を示す。即
ち、ポリパーフルオロスルホン酸を例にとると、そのス
ルホン酸基より電離したプロトンは、高分子マトリック
ス中に大量に取込まれている水分と結合(水素結合)し
てプロトン化した水、つまりオキソニウムイオン(H 3
+)を生成し、このオキソニウムイオンの形態をとっ
てプロトンが高分子マトリックス内を移動することがで
きるので、この種のマトリックス材料は常温下でプロト
ン伝導効果を示す。
These polymer solid electrolytes are in a wet state.
When placed, it exhibits high proton conductivity near room temperature. Immediately
Take polyperfluorosulfonic acid as an example.
Protons ionized from the rufonic acid group are polymer matrix
Binds with a large amount of water (hydrogen bond)
Protonated water, that is, oxonium ion (H 3
O+) Is produced and the form of this oxonium ion is taken.
The protons can move through the polymer matrix.
This type of matrix material can be
Shows the conduction effect.

【0005】しかしながら、この高分子固体電解質は、
プロトン伝導が加湿状態でのみ発現するため、使用中に
おいて継続的に充分な湿潤状態に置かれることが必要で
ある。従って、燃料電池等のシステムの構成には、加湿
装置や各種の付随装置が要求され、装置の規模が大型化
したり、システム構築のコストアップが避けられない。
しかも、低温においては水の凍結が生じ、また高温にお
いては水の蒸発によりプロトン伝導度が低下するという
問題点がある。
However, this polymer solid electrolyte is
Since proton conduction is exhibited only in a humidified state, it is necessary to continuously keep it in a sufficiently humid state during use. Therefore, the configuration of the system such as the fuel cell requires a humidifying device and various associated devices, which inevitably increases the scale of the device and raises the cost of system construction.
In addition, there is a problem that the freezing of water occurs at low temperature, and the proton conductivity decreases due to evaporation of water at high temperature.

【0006】また、燃料電池の高効率化、小型化のため
には、高分子固体電解質型の燃料電池では、プロトン伝
導体薄膜はより薄く作製しなければならず、プロトン伝
導体そのものの高機能化が一段と望まれている。一般
に、上記した如き高分子固体電解質は、主鎖と側鎖をフ
ッ素化して疎水性を持たせ、側鎖の先端にSO3H基の
ような、プロトン伝導に寄与する官能基を有する一次元
ポリマーが用いられているが、このような一次元ポリマ
ーは、導電性を向上させるために酸官能基の導入量を増
やしすぎると、水に著しく膨潤し、もしくは可溶化して
しまう。
Further, in order to improve the efficiency and downsizing of the fuel cell, the proton conductor thin film must be made thinner in the polymer solid electrolyte type fuel cell, and the proton conductor itself has a high function. There is a growing demand for new products. In general, the polymer solid electrolyte as described above has a one-dimensional structure having a functional group that contributes to proton conduction, such as SO 3 H group, at the tip of the side chain so that the main chain and side chain are fluorinated to have hydrophobicity. Although a polymer is used, such a one-dimensional polymer remarkably swells or solubilizes in water if the amount of the acid functional group introduced is increased excessively in order to improve conductivity.

【0007】[0007]

【発明に至る経過】そこで、本出願人は、フラレノール
及び硫酸水素エステル化フラレノールがプロトン伝導性
を示すことを見出し、特願平11−204038号及び
特願2000−058116号において新規なプロトン
伝導体を提起した。この先願発明によるプロトン伝導体
は、常温を含む広い温度域で用いることができ、その下
限温度も特に高くはなく、しかも移動媒体としての水分
を必要としないという、雰囲気依存性の小さなプロトン
伝導体である。
Accordingly, the present applicant has found that fullerenol and hydrogen sulfate esterified fullerenol exhibit proton conductivity, and the novel proton conductors are disclosed in Japanese Patent Application Nos. 11-204038 and 2000-058116. Was raised. The proton conductor according to the invention of the prior application can be used in a wide temperature range including normal temperature, its lower limit temperature is not particularly high, and water as a transfer medium is not required, and the proton conductor has a small atmosphere dependency. Is.

【0008】図18(A)及び(B)には、フラーレン
分子C60やC70を示すが、先願発明では、これらのフラ
ーレン分子を構成する炭素原子に、図19(A)のよう
に複数の水酸基を付加した構造を持った化合物であるポ
リ水酸化フラーレン(通称「フラレノール(Fullereno
l)」や、図19(B)のようにフラレノールの水酸基
がスルホン基と置き換わった化合物であるポリ水酸化フ
ラーレン硫酸水素エステルによって、プロトン伝導部を
形成している(なお、図19中、○はフラーレン分子を
簡略に示したものである)。
FIGS. 18 (A) and 18 (B) show fullerene molecules C 60 and C 70 , but in the invention of the prior application, carbon atoms constituting these fullerene molecules are changed to those shown in FIG. 19 (A). Polyhydroxylated fullerene (commonly known as "Fullereno (Fullereno)
l) ”or as shown in FIG. 19 (B), a proton conducting part is formed by polyhydroxylated fullerene hydrogensulfate, which is a compound in which the hydroxyl group of fullerenol is replaced with a sulfone group. Is a simplified representation of the fullerene molecule).

【0009】このようなフラレノール又はその硫酸水素
エステルは、フラーレン1分子中にOH基又はOSO3
H基からなるプロトン解離性の基が多数導入されている
ため、水分が存在しなくてもプロトン伝導性を呈し、し
かもプロトン伝導体としてプロトン移送サイトの体積当
たりの数密度が多くなる。この場合、プロトン伝導性
は、フラレノールよりも、スルホン基をフラーレン分子
の構成炭素原子に導入した図19(B)のポリ水酸化フ
ラーレン硫酸水素エステルの方が顕著となる。
Such fullerenol or its hydrogen sulfate ester has an OH group or OSO 3 in one molecule of fullerene.
Since a large number of proton-dissociative groups consisting of H groups are introduced, they exhibit proton conductivity even in the absence of water, and the number density per volume of proton transfer sites as a proton conductor increases. In this case, proton conductivity is more remarkable in the polyhydroxylated fullerene hydrogensulfate ester of FIG. 19 (B) in which a sulfone group is introduced into the constituent carbon atoms of the fullerene molecule than in fullerenol.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】ところが、フラレノー
ル誘導体であるこうしたポリ水酸化フラーレン硫酸水素
エステルは無加湿の条件下でも高いプロトン伝導性を示
すが、水が存在する条件下では高温(特に85℃以上)
で硫酸エステル部分が加水分解し易いことが分った。こ
のため、水の存在下(これは、電池反応の結果として酸
素極側に生成する水分も同様である。)、高温で使用す
ると、プロトン伝導度が低下し易いという問題点がある
ことが判明した。
However, such polyhydroxylated fullerene hydrogensulfate, which is a fullerenol derivative, exhibits high proton conductivity even under non-humidified conditions, but under high temperature conditions (especially 85 ° C.). that's all)
It was found that the sulfate ester moiety was easily hydrolyzed. Therefore, in the presence of water (this is also the case with the water produced on the oxygen electrode side as a result of the battery reaction), when used at high temperature, there is a problem that the proton conductivity tends to decrease. did.

【0011】本発明の目的は、水が存在していても、常
温を含む広い温度範囲(少なくとも0℃〜130℃)で
分解せず、また化学的にも安定であって長時間安定に高
いプロトン伝導性を示すカチオン伝導体と、これを用い
た燃料電池等の電気化学デバイスを提供することにあ
る。
The object of the present invention is that even in the presence of water, it does not decompose in a wide temperature range including normal temperature (at least 0 ° C. to 130 ° C.), is chemically stable, and is stable for a long time. It is intended to provide a cation conductor having proton conductivity, and an electrochemical device such as a fuel cell using the cation conductor.

【0012】本発明の他の目的は、三次元架橋構造をと
ることが可能であって酸官能基の導入量を増加しても水
に対して可溶化することがなく、さらに高温における流
動性も抑制され、耐熱性の向上が期待されるカチオン伝
導体と、これを用いた燃料電池等の電気化学デバイスを
提供することにある。
Another object of the present invention is that it is possible to have a three-dimensional cross-linking structure, does not solubilize in water even if the amount of acid functional groups introduced is increased, and the fluidity at high temperature is further increased. Another object of the present invention is to provide a cation conductor that is also expected to be improved in heat resistance and an electrochemical device such as a fuel cell using the same.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】即ち、本発明は、酸性基
を有する有機残基と、他の置換基とがフラーレン分子に
それぞれ結合してなるカチオン伝導体に係り、またこの
カチオン伝導体が、第1極と第2極との間に配されてい
る電気化学デバイスに係るものである。以下、これらを
本発明の第1のカチオン伝導体及び電気化学デバイスと
称する。
That is, the present invention relates to a cation conductor in which an organic residue having an acidic group and another substituent are bonded to a fullerene molecule, respectively. , An electrochemical device arranged between the first pole and the second pole. Hereinafter, these are referred to as the first cation conductor and the electrochemical device of the present invention.

【0014】本発明の第1のカチオン伝導体及び電気化
学デバイスによれば、カチオン伝導体において、スルホ
ン酸基等のプロトン解離性の酸性基を有する有機残基が
フラーレン分子に結合しているので、常温常湿(又は無
加湿)の条件下でも、前記酸性基によって移送サイトが
多くて高いプロトン伝導性を示すと共に、この酸性基を
フラーレン分子に結合する有機残基は加水分解等の分解
を受け難いために、水が存在していても酸性基が分解を
生じることなしにフラーレン分子に保持され、高いプロ
トン伝導性を長時間保持することができる。
According to the first cation conductor and electrochemical device of the present invention, in the cation conductor, an organic residue having a proton-dissociative acidic group such as a sulfonic acid group is bonded to a fullerene molecule. Even under normal temperature and normal humidity (or non-humidified conditions), the acidic groups have many transport sites and exhibit high proton conductivity, and the organic residue that binds the acidic groups to the fullerene molecule undergoes decomposition such as hydrolysis. Since it is difficult to receive, the acidic group is retained by the fullerene molecule without decomposition even in the presence of water, and high proton conductivity can be retained for a long time.

【0015】しかも、フラーレン分子に結合した前記置
換基、特に重合可能な活性基の存在によって、この置換
基を介してフラーレン分子を重合体中に結合させる(特
に三次元架橋構造を形成する)ことが可能となる。こう
した重合体化によって、常温を含む広い温度範囲(少な
くとも0℃〜130℃)で分解が生起せず、高温におけ
る流動性が抑制され、化学的にも安定であり、また、前
記酸性基の導入量を増加させても水に対して不溶な三次
元架橋構造をとることが可能となり、燃料電池等の電気
化学デバイスの稼動時に存在若しくは生成する水に対し
て溶け出すことがなく、従って、長時間安定して高いプ
ロトン伝導性を示すようになる。
Moreover, the presence of the above-mentioned substituent bonded to the fullerene molecule, particularly the active group capable of polymerization, causes the fullerene molecule to bond to the polymer through this substituent (in particular, to form a three-dimensional crosslinked structure). Is possible. Due to such polymerization, decomposition does not occur in a wide temperature range including at room temperature (at least 0 ° C to 130 ° C), fluidity at high temperature is suppressed, and it is chemically stable, and the introduction of the acidic group is performed. Even if the amount is increased, it becomes possible to form a three-dimensional crosslinked structure that is insoluble in water, and does not dissolve into water that exists or is generated during the operation of an electrochemical device such as a fuel cell. It shows stable high proton conductivity over time.

【0016】本発明はまた、酸性基を有する有機残基
と、他の置換基又は有機残基とがフラーレン分子にそれ
ぞれ結合すると共に、前記置換基又は有機残基を介して
前記フラーレン分子が重合体中に結合してなるカチオン
伝導体を提供し、またこのカチオン伝導体が、第1極と
第2極との間に配されている電気化学デバイスを提供す
るものである。以下、これらを本発明の第2のカチオン
伝導体及び電気化学デバイスと称する。
In the present invention, an organic residue having an acidic group and another substituent or organic residue are bonded to a fullerene molecule, respectively, and the fullerene molecule is bonded to the fullerene molecule via the substituent or organic residue. The present invention provides a cation conductor bound in a united body, and also provides an electrochemical device in which the cation conductor is arranged between a first pole and a second pole. Hereinafter, these are referred to as the second cation conductor and the electrochemical device of the present invention.

【0017】本発明の第2のカチオン伝導体及び電気化
学デバイスによれば、カチオン伝導体において、スルホ
ン酸基等のプロトン解離性の酸性基を有する有機残基が
フラーレン分子に結合しているので、本発明の第1のカ
チオン伝導体及び電気化学デバイスと同様に、常温常湿
(又は無加湿)の条件下でも、前記酸性基によって移送
サイトが多くて高いプロトン伝導性を示すと共に、この
酸性基をフラーレン分子に結合する有機残基は加水分解
等の分解を受け難いために、水が存在していても酸性基
が分解を生じることなしにフラーレン分子に保持され、
高いプロトン伝導性を長時間保持することができる。
According to the second cation conductor and electrochemical device of the present invention, in the cation conductor, an organic residue having a proton-dissociative acidic group such as a sulfonic acid group is bonded to a fullerene molecule. Similarly to the first cation conductor and the electrochemical device of the present invention, even under normal temperature and normal humidity (or non-humidified) conditions, the acidic groups have many transport sites and exhibit high proton conductivity. Since the organic residue that binds the group to the fullerene molecule is less susceptible to decomposition such as hydrolysis, the acidic group is retained by the fullerene molecule without causing decomposition even in the presence of water,
High proton conductivity can be maintained for a long time.

【0018】しかも、フラーレン分子に結合した前記置
換基又は有機残基を介してフラーレン分子が重合体中に
結合している(特に三次元架橋構造を形成している)の
で、常温を含む広い温度範囲(少なくとも0℃〜130
℃)で分解が生起せず、高温における流動性が抑制さ
れ、化学的にも安定であり、また、前記酸性基の導入量
を増加させても水に対して不溶な三次元架橋構造をとる
ことが可能となり、燃料電池等の電気化学デバイスの稼
動時に存在若しくは生成する水に対して溶け出すことが
なく、従って、長時間安定して高いプロトン伝導性を示
すものとなる。
Moreover, since the fullerene molecule is bonded to the polymer through the substituent or the organic residue bonded to the fullerene molecule (particularly forming a three-dimensional crosslinked structure), a wide temperature range including normal temperature Range (at least 0 ° C-130
Degradation does not occur at (° C), fluidity at high temperature is suppressed, it is chemically stable, and it has a three-dimensional crosslinked structure that is insoluble in water even when the amount of the acidic group introduced is increased. Therefore, it does not dissolve into water that exists or is generated during the operation of an electrochemical device such as a fuel cell, and thus exhibits stable and high proton conductivity for a long time.

【0019】[0019]

【発明の実施の形態】本発明の第1及び第2のカチオン
伝導体及び電気化学デバイスにおいて、前記有機残基
は、炭素数が1〜20であるのがよく、N、O、P、S
等のヘテロ原子を含んでいてもよい。また、前記有機残
基がフラーレン1分子に対し2〜14個結合し、前記置
換基がフラーレン1分子に対し1個以上結合しているの
がよい。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION In the first and second cation conductors and electrochemical devices of the present invention, the organic residue preferably has 1 to 20 carbon atoms, and N, O, P, S
Etc. may be included in the hetero atom. Further, it is preferable that 2 to 14 of the organic residues are bonded to one molecule of fullerene and one or more of the substituents are bonded to one molecule of fullerene.

【0020】また、前記酸性基が、スルホン酸基、カル
ボキシル基又はリン酸基等のプロトン解離性の基である
のがよい。
The acidic group is preferably a proton dissociative group such as a sulfonic acid group, a carboxyl group or a phosphoric acid group.

【0021】また、前記置換基が、C、N、O、P、
S、F、Cl、Br、I等のヘテロ原子を含む官能基、
又はスルホン酸基、ヒドロキシル基、アミノ基、カルボ
キシル基、メルカプト基、リン酸基等の、活性水素を有
する重合可能な活性置換基であるのがよい。
The substituents are C, N, O, P,
A functional group containing a hetero atom such as S, F, Cl, Br or I,
Alternatively, it may be a polymerizable active substituent having active hydrogen, such as a sulfonic acid group, a hydroxyl group, an amino group, a carboxyl group, a mercapto group, a phosphoric acid group.

【0022】そして、前記置換基がポリイソシアネート
等の架橋剤によって架橋されたり、前記有機残基によっ
て前記フラーレン分子が架橋されるのがよい。
It is preferable that the substituent is crosslinked with a crosslinking agent such as polyisocyanate, or the fullerene molecule is crosslinked with the organic residue.

【0023】また、前記フラーレン分子は、具体的に
は、球状炭素分子Cm(m=36、60、70、76、
78、80、82、84等の、球状分子を形成しうる自
然数)からなっている。
The fullerene molecule is specifically a spherical carbon molecule C m (m = 36, 60, 70, 76,
78, 80, 82, 84 and the like, which are natural numbers capable of forming spherical molecules.

【0024】そして、カチオン伝導体からなるプロトン
伝導部が水素極と酸素極との間に配された燃料電池とし
て構成されるのがよい。
Then, it is preferable that the proton conducting portion made of a cation conductor is constructed as a fuel cell arranged between the hydrogen electrode and the oxygen electrode.

【0025】次に、本発明の好ましい実施の形態を図面
参照下に説明する。
Next, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

【0026】図1に例示するように、一般式(I)で表
される本発明のカチオン伝導体(プロトン伝導体として
のフラーレン誘導体)は、有機残基(−Y−又は−R1
−)を介してスルホン酸基、カルボキシル基、リン酸基
等のプロトン解離性の酸性置換基、例えばスルホン酸基
(−SO3H)が、また活性置換基(−Z)、例えば水
酸基が、フラーレン分子C60にそれぞれ放射状に化学的
に結合した一般式(1)で表されるフラーレンポリヒド
ロキシアルキルスルホン酸である。このカチオン伝導体
は、上記した理由から、常温を含む広い温度範囲(少な
くとも0℃〜130℃)で高いイオン伝導度を示し、水
が存在していても加水分解されない化学的にも安定なイ
オン伝導性化合物である。
As illustrated in FIG. 1, the cation conductor (fullerene derivative as a proton conductor) of the present invention represented by the general formula (I) has an organic residue (--Y-- or --R 1).
-) through a sulfonic acid group, a carboxyl group, proton dissociating acidic substituent such as phosphoric acid groups, for example sulfonic acid groups (-SO 3 H), but also active substituents (-Z), for example hydroxyl groups, It is a fullerene polyhydroxyalkyl sulfonic acid represented by the general formula (1), which is chemically bonded radially to a fullerene molecule C 60 . This cation conductor exhibits high ionic conductivity in a wide temperature range including at room temperature (at least 0 ° C. to 130 ° C.) and is not hydrolyzed even in the presence of water and is chemically stable for the reasons described above. It is a conductive compound.

【0027】一般式(I)及び(1)において、p(置
換基数)は、p≧1であって特に制限はないが、好まし
くは2〜14であり、例えば2〜6である。このpが少
ないと、イオン伝導率が低くなる傾向にあり、またpが
多い場合には、Z又はOH基の数qが減って架橋性が乏
しくなる。また、q(置換基数)は1以上、例えば2〜
4であり、これが少ないと、架橋性が乏しくなり、また
多いと、pが減ってイオン伝導性が低下し易い。これら
のp、qが多すぎる化合物は立体障害が生じるので、合
成が困難である。
In the general formulas (I) and (1), p (the number of substituents) is p ≧ 1 and is not particularly limited, but is preferably 2 to 14, for example 2 to 6. When this p is small, the ionic conductivity tends to be low, and when p is large, the number q of Z or OH groups decreases and the crosslinkability becomes poor. Further, q (the number of substituents) is 1 or more, for example, 2
4, when the amount is small, the crosslinkability becomes poor, and when the amount is 4, p is decreased and the ionic conductivity is easily lowered. These compounds having too much p and q cause steric hindrance, and thus are difficult to synthesize.

【0028】また、一般式(I)及び(1)中のY及び
1は、炭素数1〜20の全ての有機残基を表す。この
炭素数が1〜2の化合物は、溶媒に対する溶解が困難で
あり、例えばイオン交換時の溶媒溶解性が乏しくなり、
また炭素数が5以上の化合物は、合成が困難となる傾向
があり、酸性基密度が低下するので、炭素数が1〜4、
特に3又は4が好ましい。そして、炭素数が20を超え
ると、有機残基がバルキーであって酸性基によるイオン
伝導性に悪影響がある。
Further, Y and R 1 in the general formulas (I) and (1) represent all organic residues having 1 to 20 carbon atoms. This compound having 1 to 2 carbon atoms is difficult to dissolve in a solvent, and for example, the solubility of the solvent in ion exchange becomes poor,
Further, a compound having 5 or more carbon atoms tends to be difficult to synthesize, and the acidic group density decreases, so that the carbon number is 1 to 4,
Particularly, 3 or 4 is preferable. When the number of carbon atoms exceeds 20, the organic residue is bulky and the ionic conductivity of the acidic group is adversely affected.

【0029】このY及びR1を例示すると、鎖状又は分
岐状のアルキレン基(例えば、メチレン基、エチレン
基、トリメチレン基、テトラメチレン基、エチルエチレ
ン基、プロピレン基)、芳香族基(例えば、フェニレン
基、ナフチレン基)が挙げられる。このこのY及びR1
は、N、O、P、Sのようなヘテロ原子を含んでいても
よい(例えば、オキシ基、カルボニル基、チオ基、チオ
カルボキシル基、スルフィニル基、スルホン基、イミノ
基、アゾ基、ホスホン基などを挙げることができる)。
Examples of Y and R 1 are a chain or branched alkylene group (for example, methylene group, ethylene group, trimethylene group, tetramethylene group, ethylethylene group, propylene group), aromatic group (for example, Phenylene group and naphthylene group). This Y and R 1
May contain a hetero atom such as N, O, P and S (for example, oxy group, carbonyl group, thio group, thiocarboxyl group, sulfinyl group, sulfone group, imino group, azo group, phosphone group). Etc.).

【0030】また、一般式(I)及び(1)中の活性置
換基Zは、無置換体であってよく、N、O、P、S、
F、Cl、Br、Iのようなヘテロ原子を含む官能基で
あってもよい。例えば、メチル基、エチル基等のアルキ
ル基、フッ素基、クロロ基、メトキシ基、メチルチオ基
などが挙げられる。
In addition, the active substituent Z in the general formulas (I) and (1) may be an unsubstituted form, and N, O, P, S,
It may be a functional group containing a hetero atom such as F, Cl, Br or I. Examples thereof include an alkyl group such as a methyl group and an ethyl group, a fluorine group, a chloro group, a methoxy group and a methylthio group.

【0031】また、Zが活性置換基(例えば、スルホン
酸基、ヒドロキシル基、アミノ基、カルボキシル基、メ
ルカプト基、リン酸基のような置換基のように活性水素
を有する活性官能基)であり、これと架橋剤(ポリイソ
シアネート系、ジハロゲン系、ジオール系、ジチオール
系、エポキシ系、ジアジド系、ジカルボン酸系など)と
により三次元架橋ポリマー化され、水に対して不溶体に
なることができる。
Z is an active substituent (for example, an active functional group having active hydrogen such as a sulfonic acid group, a hydroxyl group, an amino group, a carboxyl group, a mercapto group and a phosphoric acid group). , And a cross-linking agent (polyisocyanate-based, dihalogen-based, diol-based, dithiol-based, epoxy-based, diazide-based, dicarboxylic acid-based, etc.) three-dimensionally cross-links into a polymer and can be made insoluble in water. .

【0032】図1に示す化合物(フラーレンポリヒドロ
キシアルキルスルホン酸)を合成する反応は、例えば図
2に示すように、導入したいアルキルスルホン酸基の数
に応じて、フラーレンに対し2〜30当量の還元剤(例
えばアルカリ金属ナフタレニド)及びスルホン化剤(例
えばアルキルスルトン)を用いる。この反応では、R 1
を介して導入された例えばSO3Naを有するフラーレ
ンのNaOH、(R24NOHによる処理及びイオン交
換により、−SO3Naをスルホン酸基とし、かつフラ
ーレン分子にOH基を導入する。良好なイオン伝導性を
実現するために、好ましくは15〜30当量の還元剤及
びスルホン化剤を必要とする。このうち、10当量未満
の場合は、導入されるスルホン酸基の数(p)が少なく
なり、またpが15を超えると、目的物は殆ど得られ
ず、これ以上の過剰の反応剤は、製造コストの観点から
も不必要である。
The compound shown in FIG. 1 (fullerene polyhydro
For example, the reaction for synthesizing
As shown in 2, the number of alkyl sulfonic acid groups to be introduced
2 to 30 equivalents of reducing agent with respect to fullerene (eg,
For example, alkali metal naphthalenide) and sulfonating agent (eg
For example, alkyl sultone) is used. In this reaction, R 1
SO introduced via3Fullere with Na
NaOH, (R2)FourTreatment with NOH and ion exchange
By conversion, -SO3Na as a sulfonic acid group, and
Introduce an OH group into the olefin molecule. Good ionic conductivity
To achieve this, preferably 15 to 30 equivalents of reducing agent and
And a sulfonating agent are required. Of these, less than 10 equivalents
In case of, the number of introduced sulfonic acid groups (p) is small
And when p exceeds 15, the target compound is almost obtained.
No further excess of reactants is
Is unnecessary.

【0033】還元剤としては、後述の実施例に示すよう
なアルカリ金属ナフタレニド(アルカリ金属は、Li、
Na等、以下、同様)、アルカリ金属ジターシャルビフ
ェニル等の還元試薬を用いてよく、これ以外にも、電極
から供給する電子の還元作用を用いる電気化学的方法を
採用してもよい。
As the reducing agent, an alkali metal naphthalenide (an alkali metal is Li,
A reducing reagent such as Na or the like, the same applies hereinafter) or an alkali metal ditertiary biphenyl may be used, and in addition to this, an electrochemical method using a reducing action of electrons supplied from an electrode may be adopted.

【0034】一般式(1)の化合物は、重量平均で15
%程度の水分子を結晶水として強固に取り込んでいるこ
とがあり、この結晶水は100℃程度の高温かつ10-6
Torrの高真空下においても脱離しない。即ち、この
化合物は、これらの結晶水とスルホン酸基からなるプロ
トン伝導チャネルをバルク固体として形成するため、常
温を含む広い温度範囲にわたって高いイオン伝導性を具
現するものである。この化合物は、乾燥環境下でも良好
なイオン伝導性を示すが、加湿条件下では、水の存在に
よってさらに高いイオン伝導を実現することができる。
The compound of the general formula (1) has a weight average of 15
% Of water molecules may be firmly incorporated as crystal water, and this crystal water is at a high temperature of about 100 ° C. and 10 −6.
It does not desorb even under the high vacuum of Torr. That is, since this compound forms a proton conduction channel composed of these water of crystallization and a sulfonic acid group as a bulk solid, it exhibits high ionic conductivity over a wide temperature range including normal temperature. This compound exhibits good ionic conductivity even in a dry environment, but under humid conditions, higher ionic conductivity can be realized due to the presence of water.

【0035】図3に一般式(II)で表される化合物は、
本発明の他のカチオン伝導体(プロトン伝導体)とし
て、フラーレン分子を重合体(ポリマー)中に結合して
なるものである。この化合物は、上記の一般式(1)の
化合物と同様に、重合体の単量体成分を構成するフラー
レン分子に有機残基(−Y−又は−R1−)を結合して
いるので、上記したと同様の理由から、常温を含む広い
温度範囲(少なくとも0℃〜130℃)で高いイオン伝
導度を示し、水が存在していても加水分解されない化学
的にも安定なイオン伝導性化合物である。なお、この化
合物における上記有機残基(−Y−又は−R1−)は、
上記したものと同じである。
The compound represented by the general formula (II) in FIG.
As another cation conductor (proton conductor) of the present invention, a fullerene molecule is bound to a polymer. This compound has an organic residue (—Y— or —R 1 —) bonded to the fullerene molecule that constitutes the monomer component of the polymer, like the compound of the above general formula (1). For the same reason as described above, an ion conductive compound which exhibits high ionic conductivity in a wide temperature range including at room temperature (at least 0 ° C. to 130 ° C.) and is not hydrolyzed even in the presence of water. Is. Incidentally, the organic residue in the compound (-Y- or -R 1 -) is
Same as above.

【0036】そして、一般式(II)及び(2)の化合物
は、重合体として、フラーレン分子が置換基又は有機残
基(R3)を介してポリマー鎖に結合されているが、そ
の置換基は上記した一般式(I)中のZと同様の活性置
換基であって架橋剤(ポリイソシアネート系、ジハロゲ
ン系、ジオール系、ジチオール系、エポキシ系、ジアジ
ド系、ジカルボン酸系など)により三次元架橋ポリマー
化され、水に対して不溶体になっている。ポリイソシア
ネート(OCN−R4−NCO)を用いる場合を一般式
(2)に示す。
In the compounds of the general formulas (II) and (2), the fullerene molecule as a polymer is bonded to the polymer chain through a substituent or an organic residue (R 3 ). Is an active substituent similar to Z in the above general formula (I), and is three-dimensional by a crosslinking agent (polyisocyanate type, dihalogen type, diol type, dithiol type, epoxy type, diazide type, dicarboxylic acid type, etc.). It is a cross-linked polymer and is insoluble in water. Shows a case of using a polyisocyanate (OCN-R 4 -NCO) in the general formula (2).

【0037】或いは、R3はフラーレン分子を直接架橋
させるものであってよく、炭素数2〜20の全ての有機
残基を含み、アルキレン基(例えば、メチレン基、エチ
レン基、トリメチレン基、テトラメチレン基)や、N、
O、P、Sのようなヘテロ原子を含んでもかまわない。
例えば、オキシ基、カルボニル基、チオ基、チオカルボ
キシル基、スルフィニル基、スルホン基、イミノ基、ア
ゾ基、ホスホン基などを挙げることができる。
Alternatively, R 3 may directly crosslink the fullerene molecule and includes all organic residues having 2 to 20 carbon atoms and has an alkylene group (eg, methylene group, ethylene group, trimethylene group, tetramethylene group). Group), N,
Heteroatoms such as O, P and S may be included.
Examples thereof include an oxy group, a carbonyl group, a thio group, a thiocarboxyl group, a sulfinyl group, a sulfone group, an imino group, an azo group and a phosphone group.

【0038】また、上記の架橋骨格に、C、N、O、
P、Sのようなヘテロ原子を含む置換基を有してもかま
わない。例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、ブ
チル基、ビニル基、アリール基、メトキシ基、エトキシ
基、カルボキシル基、メトキシカルボニル基、ベンゾイ
ルオキシ基、ホルミル基、アセチル基、メトキシメチル
基、メトキシエトキシメチル基、メルカプト基、メチル
チオ基、チオアセチル基、チオカルボキシル基、スルフ
ィノ基、スルホン酸基、メシル基、アミノ基、メチルア
ミノ基、アニリノ基、シアノ基、ニトロ基、ヒドラジノ
基、フェニルアゾ基、リン酸基などを挙げることができ
る。
Further, C, N, O,
It may have a substituent containing a hetero atom such as P and S. For example, methyl group, ethyl group, propyl group, butyl group, vinyl group, aryl group, methoxy group, ethoxy group, carboxyl group, methoxycarbonyl group, benzoyloxy group, formyl group, acetyl group, methoxymethyl group, methoxyethoxymethyl. Group, mercapto group, methylthio group, thioacetyl group, thiocarboxyl group, sulfino group, sulfonic acid group, mesyl group, amino group, methylamino group, anilino group, cyano group, nitro group, hydrazino group, phenylazo group, phosphate group And so on.

【0039】また、一般式(II)及び(2)において、
p及びqは上記したものと同じであるが、r(重合度)
は3以上であるのが好ましい。
In the general formulas (II) and (2),
p and q are the same as above, but r (degree of polymerization)
Is preferably 3 or more.

【0040】図3に示す化合物(フラーレンポリヒドロ
キシアルキルスルホン酸のポリマー)の合成反応を例え
ば図4に示す。途中までの反応は図2のものと同様に行
うが、得られたフラーレンポリヒドロキシルアルキルス
ルホン酸を下記構造のポリイソシアネートと反応させて
ウレタンポリマー化することができる。
A synthetic reaction of the compound shown in FIG. 3 (polymer of fullerene polyhydroxyalkyl sulfonic acid) is shown in FIG. 4, for example. The reaction up to the middle is performed in the same manner as in FIG. 2, but the obtained fullerene polyhydroxylalkyl sulfonic acid can be reacted with a polyisocyanate having the following structure to form a urethane polymer.

【0041】[0041]

【化1】ポリイソシアネート: Embedded image Polyisocyanate:

【0042】上記した一般式(I)及び(II)の本発明
の化合物はいずれも、プロトン伝導体として、常温を含
む広い温度範囲(少なくとも0℃〜130℃)で高いイ
オン伝導性を示し、また化学的にも安定なイオン伝導性
化合物である。特に、一般式(II)の化合物は、フラー
レン分子が重合体中に結合されているので、その架橋構
造によって耐水性が向上し、長時間安定して高いプロト
ン伝導性を示すものである。
The above-described compounds of the present invention represented by the general formulas (I) and (II) both show high ionic conductivity as a proton conductor in a wide temperature range including normal temperature (at least 0 ° C. to 130 ° C.), It is also an ion conductive compound that is chemically stable. In particular, the compound of the general formula (II) has a fullerene molecule bonded in the polymer, and therefore has a crosslinked structure to improve water resistance and stably shows high proton conductivity for a long time.

【0043】図5(A)には、上記フラーレン誘導体
(例えばフラーレンポリヒドロキシアルキルスルホン酸
又はそのウレタンポリマー)をプロトン伝導体として用
いた燃料電池の一具体例を示す。この燃料電池は、触媒
2a及び3aをそれぞれ密着若しくは分散させた互いに
対向した端子8及び9付きの負極(燃料極又は水素極)
2及び正極(酸素極)3を有し、これらの両極間にプロ
トン伝導部1が挟着されている。
FIG. 5A shows a specific example of a fuel cell using the above fullerene derivative (for example, fullerene polyhydroxyalkyl sulfonic acid or urethane polymer thereof) as a proton conductor. This fuel cell has a negative electrode (a fuel electrode or a hydrogen electrode) having terminals 8 and 9 facing each other, in which catalysts 2a and 3a are closely adhered or dispersed, respectively.
2 and a positive electrode (oxygen electrode) 3, and the proton conducting portion 1 is sandwiched between these two electrodes.

【0044】使用時には、負極2側では導入口12から
水素が供給され、排出口13(これは設けないこともあ
る。)から排出される。燃料(H2)14が流路15を
通過する間にプロトンを発生し、図5(B)に示すよう
に、このプロトンはプロトン伝導部1で発生したプロト
ンとともに正極3側へ移動し、そこで導入口16から流
路17に供給されて排気口18へ向かう酸素(又は空
気)19と反応し、これにより所望の起電力が取り出さ
れる。
At the time of use, hydrogen is supplied from the inlet 12 on the negative electrode 2 side and discharged from the outlet 13 (this may not be provided). While the fuel (H 2 ) 14 passes through the flow path 15, protons are generated, and as shown in FIG. 5 (B), the protons move to the positive electrode 3 side together with the protons generated in the proton conducting section 1, and there, It reacts with oxygen (or air) 19 which is supplied from the inlet 16 to the flow path 17 and goes to the exhaust port 18, whereby a desired electromotive force is taken out.

【0045】[0045]

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。EXAMPLES Examples of the present invention will be described below.

【0046】実施例1 <フラーレンポリプロピルスルホン酸の合成> Example 1 <Synthesis of fullerene polypropyl sulfonic acid>

【0047】[0047]

【化2】 [Chemical 2]

【0048】この合成は、文献(Y.Chi, J.B.Bhonsle,
T.Canteenwala, J.-P.Hung, J.Shiea, B.-J.Chen and
L.Y.Chiang, Chem.Lett.,1998,465.)を参考にして行っ
た。フラーレンの粉末2gのジメトキシエタン溶液に、
予め調製しておいたナトリウムナフタレニドのジメトキ
シエタン溶液を30当量加え、室温にて窒素雰囲気下で
2時間撹拌した。しかる後、反応溶媒を氷浴で冷やし、
1,3−プロパンスルトンを30当量加えた後、50℃
で4時間撹拌した。
This synthesis is based on the literature (Y. Chi, JBBhonsle,
T.Canteenwala, J.-P.Hung, J.Shiea, B.-J.Chen and
LYChiang, Chem. Lett., 1998, 465.). To a solution of 2 g of fullerene powder in dimethoxyethane,
A solution of sodium naphthalenide in dimethoxyethane prepared in advance was added in an amount of 30 equivalents, and the mixture was stirred at room temperature under a nitrogen atmosphere for 2 hours. Then cool the reaction solvent in an ice bath,
After adding 30 equivalents of 1,3-propane sultone, 50 ° C
And stirred for 4 hours.

【0049】メタノールを加えて反応を止め、濾過して
沈澱物を集めた。得られた沈澱物をメタノールで充分洗
浄した。
The reaction was stopped by adding methanol, and the precipitate was collected by filtration. The obtained precipitate was thoroughly washed with methanol.

【0050】こうして得られた粉末を純水に溶かし、イ
オン交換カラムに通してスルホン酸化し、エバポレータ
ーで水を除去した後に、真空乾燥した。
The powder thus obtained was dissolved in pure water, passed through an ion exchange column for sulfonation, water was removed by an evaporator and then vacuum dried.

【0051】このようにして得られた黒色の粉末のFT
−IR(図6)及びTOF−MS(図7)測定を行った
ところ、フラーレンポリプロピルスルホン酸であること
が確認された(図7中のpは、導入されたプロピルスル
ホン酸基の数を表している)。
FT of the black powder thus obtained
When -IR (Fig. 6) and TOF-MS (Fig. 7) measurements were performed, it was confirmed to be fullerene polypropyl sulfonic acid (p in Fig. 7 represents the number of introduced propyl sulfonic acid groups. Represents).

【0052】次に、このフラーレンポリプロピルスルホ
ン酸の粉末80mgを測りとり、直径15mmの円形ペ
レット状になるように一方向に、約5トン/cm2でプ
レスした。
Next, 80 mg of this fullerene polypropyl sulfonic acid powder was measured and pressed in one direction at a rate of about 5 tons / cm 2 so as to form a circular pellet having a diameter of 15 mm.

【0053】こうして作成したペレットを用いて複素イ
ンピーダンスプロットを作成し、イオン伝導度を測定し
た。同試料を湿度60%の雰囲気にて測定すると、20
℃にて1×10-3Scm-1、50℃にて7×10-3Sc
-1、85℃にて1×10-2Scm-1であった。同試料
を湿度100%の雰囲気にて測定すると、85℃にて1
×10-2Scm-1であった。
A complex impedance plot was prepared using the pellets thus prepared, and the ionic conductivity was measured. When the same sample was measured in an atmosphere with a humidity of 60%, it was 20
1 × 10 -3 Scm -1 at ℃, 7 × 10 -3 Sc at 50 ℃
It was 1 × 10 -2 Scm -1 at m -1 and 85 ° C. When the same sample was measured in an atmosphere of 100% humidity, it was 1 at 85 ° C.
It was × 10 -2 Scm -1 .

【0054】<フラーレンポリヒドロキシプロピルスル
ホン酸の合成>
<Synthesis of fullerene polyhydroxypropyl sulfonic acid>

【化3】 [Chemical 3]

【0055】上記したイオン交換前の沈澱物(フラーレ
ンポリプロピルスルホン酸ナトリウム)1gを水酸化ナ
トリウム水溶液(1g/1ml)20mlに加えて溶か
し、ここにテトラターシャルブチルアンモニウムヒドロ
キシドを3滴加え、2時間撹拌し、さらに30mlの水
を加え、12時間撹拌した。反応溶液をエバポレーター
で濃縮し、メタノールを加えると、沈澱物が析出した。
これをろ過し、固体成分をさらにメタノールで3回洗っ
た後、カラムクロマトグラフィー(シリカゲル、展開溶
媒は水)を用いて、水酸化ナトリウムを完全に除去し
た。
1 g of the above-mentioned precipitate (sodium fullerene polypropyl sulfonate) before ion exchange was added to 20 ml of an aqueous solution of sodium hydroxide (1 g / 1 ml) to dissolve it, and 3 drops of tetratert-butylammonium hydroxide was added thereto. The mixture was stirred for 2 hours, 30 ml of water was added, and the mixture was stirred for 12 hours. The reaction solution was concentrated with an evaporator, and methanol was added to precipitate a precipitate.
This was filtered, the solid component was further washed with methanol three times, and sodium hydroxide was completely removed using column chromatography (silica gel, water was used as a developing solvent).

【0056】得られた粉末を純水に溶解し、イオン交換
カラムに通し、エバポレーターで水を除去した後に、4
0℃で12時間乾燥した。このようにして得られた黒色
の粉末のFT−IR(図8)測定を行ったところ、フラ
ーレンポリヒドロキシプロピルスルホン酸であることが
確認された。
The obtained powder was dissolved in pure water, passed through an ion exchange column, water was removed by an evaporator, and then 4
It was dried at 0 ° C. for 12 hours. When the FT-IR (FIG. 8) of the black powder thus obtained was measured, it was confirmed to be fullerene polyhydroxypropyl sulfonic acid.

【0057】次に、このフラーレンポリヒドロキシプロ
ピルスルホン酸の粉末80mgを測りとり、直径15m
mの円形ペレット状になるように一方向に、約5トン/
cm 2でプレスした。
Next, this fullerene polyhydroxy pro
Measure 80mg of Pyrsulfonic acid powder, diameter 15m
Approximately 5 tons / direction in one direction so as to form a circular pellet of m
cm 2Pressed at.

【0058】こうして作成したペレットを用いて複素イ
ンピーダンスプロットを作成し、イオン伝導度を測定し
た。同試料を湿度60%の雰囲気にて測定すると、20
℃にて7×10-3Scm-1、50℃にて8×10-3Sc
-1、85℃にて9×10-3Scm-1であった。同試料
を湿度100%の雰囲気にて測定すると、85℃にて9
×10-3Scm-1であった。
A complex impedance plot was prepared using the pellet thus prepared, and the ionic conductivity was measured. When the same sample was measured in an atmosphere with a humidity of 60%, it was 20
7 × 10 -3 Scm -1 at ℃, 8 × 10 -3 Sc at 50 ℃
It was 9 × 10 −3 Scm −1 at m −1 and 85 ° C. When the same sample was measured in an atmosphere of 100% humidity, it was 9 ° C at 85 ° C.
It was × 10 -3 Scm -1 .

【0059】実施例2 <フラーレンポリブチルスルホン酸の合成> Example 2 <Synthesis of fullerene polybutyl sulfonic acid>

【0060】[0060]

【化4】 [Chemical 4]

【0061】この合成も、文献(Y.Chi, J.B.Bhonsle,
T.Canteenwala, J.-P.Hung, J.Shiea, B.-J.Chen and
L.Y.Chiang, Chem.Lett.,1998,465.)を参考にして行っ
た。フラーレンの粉末2gのジメトキシエタン溶液に、
予め調製しておいたナトリウムナフタレニドのジメトキ
シエタン溶液を20当量加え、室温にて窒素雰囲気下で
2時間撹拌した。反応溶液を氷浴で冷やし、1,4−ブ
タンスルトンを30当量加えた後、50℃で4時間撹拌
した。
This synthesis is also carried out in the literature (Y. Chi, JBBhonsle,
T.Canteenwala, J.-P.Hung, J.Shiea, B.-J.Chen and
LYChiang, Chem. Lett., 1998, 465.). To a solution of 2 g of fullerene powder in dimethoxyethane,
20 equivalents of a previously prepared solution of sodium naphthalenide in dimethoxyethane was added, and the mixture was stirred at room temperature under a nitrogen atmosphere for 2 hours. The reaction solution was cooled in an ice bath, 30 equivalents of 1,4-butanesultone was added, and then the mixture was stirred at 50 ° C. for 4 hours.

【0062】メタノールを加えて反応を止め、濾過して
沈澱物を集めた。更に、濾液を濃縮してメタノールを加
え、再沈澱させ、濾過して沈澱物を集めた。得られた沈
澱物をメタノールで充分洗浄した。
The reaction was stopped by adding methanol, and the precipitate was collected by filtration. Further, the filtrate was concentrated, methanol was added to reprecipitate, and the precipitate was collected by filtration. The obtained precipitate was thoroughly washed with methanol.

【0063】こうして得られた粉末を純水に溶かし、イ
オン交換カラムに通し、エバポレーターで水を除去した
後に、真空乾燥した。
The powder thus obtained was dissolved in pure water, passed through an ion exchange column, water was removed by an evaporator, and then vacuum dried.

【0064】このようにして得られた黒色の粉末のFT
−IR(図9)及びTOF−MS(図10)測定を行っ
たところ、フラーレンポリブチルスルホン酸であること
が確認された(図10中のpは、導入されたブチルスル
ホン酸基の数を表している)。
FT of the black powder thus obtained
When -IR (Fig. 9) and TOF-MS (Fig. 10) measurements were performed, it was confirmed to be fullerene polybutyl sulfonic acid (p in Fig. 10 represents the number of introduced butyl sulfonic acid groups. Represents).

【0065】次に、このフラーレンポリブチルスルホン
酸の粉末80mgを測りとり、直径15mmの円形ペレ
ット状になるように一方向に、約5トン/cm2でプレ
スした。
Next, 80 mg of this fullerene polybutyl sulfonic acid powder was measured and pressed in one direction at a rate of about 5 ton / cm 2 so as to form a circular pellet having a diameter of 15 mm.

【0066】こうして作成したペレットを用いて複素イ
ンピーダンスプロットを作成し、イオン伝導度を測定し
た。同試料を湿度60%の雰囲気にて測定すると、20
℃にて1×10-3Scm-1、50℃にて7×10-3Sc
-1、85℃にて1×10-2Scm-1であった。同試料
を湿度100%の雰囲気にて測定すると、85℃にて1
×10-2Scm-1であった。
A complex impedance plot was prepared using the pellets thus prepared, and the ionic conductivity was measured. When the same sample was measured in an atmosphere with a humidity of 60%, it was 20
1 × 10 -3 Scm -1 at ℃, 7 × 10 -3 Sc at 50 ℃
It was 1 × 10 -2 Scm -1 at m -1 and 85 ° C. When the same sample was measured in an atmosphere of 100% humidity, it was 1 at 85 ° C.
It was × 10 -2 Scm -1 .

【0067】<フラーレンポリヒドロキシブチルスルホ
ン酸の合成>
<Synthesis of fullerene polyhydroxybutyl sulfonic acid>

【0068】[0068]

【化5】 [Chemical 5]

【0069】上記したイオン交換前の沈澱物(フラーレ
ンポリブチルスルホン酸ナトリウム)1gを水酸化ナト
リウム水溶液(1g/1ml)20mlに加えて溶か
し、ここにテトラターシャルブチルアンモニウムヒドロ
キシドを3滴加え、2時間撹拌し、さらに30mlの水
を加え、12時間撹拌した。反応溶液をエバポレーター
で濃縮し、メタノールを加えると、沈澱物が析出した。
これをろ過し、固体成分をさらにメタノールで3回洗っ
た後、カラムクロマトグラフィー(シリカゲル、展開溶
媒は水)を用いて、水酸化ナトリウムを完全に除去し
た。
1 g of the above-mentioned precipitate (sodium fullerene polybutyl sulfonate) before ion exchange was added to 20 ml of an aqueous solution of sodium hydroxide (1 g / 1 ml) to dissolve it, and 3 drops of tetratert-butylammonium hydroxide was added thereto. The mixture was stirred for 2 hours, 30 ml of water was added, and the mixture was stirred for 12 hours. The reaction solution was concentrated with an evaporator, and methanol was added to precipitate a precipitate.
This was filtered, the solid component was further washed with methanol three times, and sodium hydroxide was completely removed using column chromatography (silica gel, water was used as a developing solvent).

【0070】得られた粉末を純水に溶解し、イオン交換
カラムに通し、エバポレーターで水を除去した後に、4
0℃で12時間乾燥した。このようにして得られた黒色
の粉末のFT−IR(図11)測定を行ったところ、フ
ラーレンポリヒドロキシブチルスルホン酸であることが
確認された。
The obtained powder was dissolved in pure water, passed through an ion exchange column, and water was removed by an evaporator, and then 4
It was dried at 0 ° C. for 12 hours. When the FT-IR (FIG. 11) measurement of the black powder thus obtained was performed, it was confirmed to be fullerene polyhydroxybutyl sulfonic acid.

【0071】次に、このフラーレンポリヒドロキシブチ
ルスルホン酸の粉末80mgを測りとり、直径15mm
の円形ペレット状になるように一方向に、約5トン/c
2でプレスした。
Next, 80 mg of this fullerene polyhydroxybutyl sulfonic acid powder was measured and the diameter was 15 mm.
Approximately 5 tons / c in one direction to form a circular pellet
Pressed at m 2 .

【0072】こうして作成したペレットを用いて複素イ
ンピーダンスプロットを作成し、イオン伝導度を測定し
た。同試料を湿度60%の雰囲気にて測定すると、20
℃にて5×10-3Scm-1、50℃にて7×10-3Sc
-1、85℃にて9×10-3Scm1であった。同試料
を湿度100%の雰囲気にて測定すると、85℃にて8
×10-3Scm-1であった。
A complex impedance plot was prepared using the pellets thus prepared, and the ionic conductivity was measured. When the same sample was measured in an atmosphere with a humidity of 60%, it was 20
5 × 10 -3 Scm -1 at ℃, 7 × 10 -3 Sc at 50 ℃
It was 9 × 10 −3 Scm 1 at m −1 and 85 ° C. When the same sample was measured in an atmosphere of 100% humidity, it was 8 ° C at 85 ° C.
It was × 10 -3 Scm -1 .

【0073】なお、本実施例において、上記のフラーレ
ンポリブチルスルホン酸の合成条件を下記の表1に示す
ように種々に変えた以外は上記と同様にして、目的物を
得た。
In this example, the target product was obtained in the same manner as above except that the conditions for synthesizing the above fullerene polybutyl sulfonic acid were changed as shown in Table 1 below.

【0074】[0074]

【表1】 [Table 1]

【0075】これらの結果から、合成条件で得られた目
的物のTOF−MSスペクトルを図12〜図16にそれ
ぞれ示すが、これらの結果を図10の結果と併せて考察
すると、加えるナトリウムナフタレニド及び1,4−ブ
タンスルトンの当量を増やした方が置換基数は増えるこ
と、温度は室温より高いのがよいが、50℃が最も適し
ていること、反応溶媒はジメトキシエタンより極性が高
いテトラヒドロフランが適していることがそれぞれ分
る。
From these results, the TOF-MS spectra of the target substance obtained under the synthesis conditions are shown in FIGS. 12 to 16, respectively. When these results are considered together with the results of FIG. 10, sodium naphthalene The number of substituents increases as the equivalents of dode and 1,4-butane sultone increase, and the temperature is preferably higher than room temperature, but 50 ° C. is most suitable, and the reaction solvent is tetrahydrofuran, which is more polar than dimethoxyethane. Each proves to be suitable.

【0076】実施例3 <フラーレンポリヒドロキシオキシブチルスルホン酸の
合成>
Example 3 <Synthesis of fullerene polyhydroxyoxybutyl sulfonic acid>

【0077】[0077]

【化6】 [Chemical 6]

【0078】フラレノール2g(フラレノールの合成
は、Long Y.Chiang, Lee-Yih Wang, John W.Swirczewsk
i, Stuart Soled, and Steve Cameron, J.Org. Chem. 1
994,59,3960のとおりに実施した。)と、水素化ナトリ
ウム4.0gとに、脱水したテトラヒドロフランを溶媒
として100ml加え、窒素下60℃で2時間撹拌し
た。その後、テトラヒドロフラン50mlに溶解した
1,4−ブタンスルトンを滴下し、更に窒素下、60℃
で20時間反応させた。
2 g of fullerenol (synthesis of fullerenol is described in Long Y. Chiang, Lee-Yih Wang, John W. Swirczewsk
i, Stuart Soled, and Steve Cameron, J.Org. Chem. 1
Conducted as per 994,59,3960. ) And 4.0 g of sodium hydride, 100 ml of dehydrated tetrahydrofuran as a solvent was added, and the mixture was stirred under nitrogen at 60 ° C. for 2 hours. Then, 1,4-butane sultone dissolved in 50 ml of tetrahydrofuran was added dropwise, and further under nitrogen at 60 ° C.
And reacted for 20 hours.

【0079】メタノールを加えて反応を終了させ、濾過
にて沈澱物を回収した。その沈澱物をメタノール、ヘキ
サンを用いて十分洗浄し、12時間真空乾燥した。
Methanol was added to terminate the reaction, and the precipitate was collected by filtration. The precipitate was thoroughly washed with methanol and hexane and vacuum dried for 12 hours.

【0080】得られた粉末を純水に溶解し、イオン交換
カラムに通し、エバポレーターで水を除去した後に、4
0℃で12時間、真空乾燥した。
The obtained powder was dissolved in pure water, passed through an ion exchange column, and the water was removed by an evaporator.
It was vacuum dried at 0 ° C. for 12 hours.

【0081】このようにして得られた黒色の粉末のFT
−IR(図17)測定を行ったところ、フラーレンポリ
ヒドロキシオキシブチルスルホン酸であることが確認さ
れた。元素分析により、オキシブチルスルホン酸基の導
入量(p)はフラーレン1分子に対して平均4であっ
た。
FT of the black powder thus obtained
When -IR (FIG. 17) measurement was performed, it was confirmed to be fullerene polyhydroxyoxybutyl sulfonic acid. According to elemental analysis, the introduced amount (p) of oxybutyl sulfonic acid group was 4 on average per 1 molecule of fullerene.

【0082】次に、このフラーレンポリヒドロキシオキ
シブチルスルホン酸の粉末80mgを測りとり、直径1
5mmの円形ペレット状になるように一方向に、約5ト
ン/cm2でプレスした。
Next, 80 mg of this fullerene polyhydroxyoxybutyl sulfonic acid powder was weighed to obtain a diameter of 1
It was pressed in one direction at a rate of about 5 ton / cm 2 into a circular pellet of 5 mm.

【0083】こうして作成したペレットを用いて複素イ
ンピーダンスプロットを作成し、イオン伝導度を測定し
た。同試料を湿度60%の雰囲気にて測定すると、20
℃にて6×10-4Scm-1、50℃にて4×10-3Sc
-1、85℃にて8×10-3Scm-1であった。同試料
を湿度100%の雰囲気にて測定すると、85℃にて8
×10-3Scm-1であった。
A complex impedance plot was prepared using the pellets thus prepared, and the ionic conductivity was measured. When the same sample was measured in an atmosphere with a humidity of 60%, it was 20
6 × 10 -4 Scm -1 at ℃, 4 × 10 -3 Sc at 50 ℃
It was 8 × 10 −3 Scm −1 at m −1 and 85 ° C. When the same sample was measured in an atmosphere of 100% humidity, it was 8 ° C at 85 ° C.
It was × 10 -3 Scm -1 .

【0084】実施例4 <フラーレンポリヒドロキシブチルスルホン酸のウレタ
ンポリマー化>
Example 4 <Urethane polymerization of fullerene polyhydroxybutyl sulfonic acid>

【0085】[0085]

【化7】 [Chemical 7]

【0086】フラーレンポリヒドロキシブチルスルホン
酸の粉末0.3gを秤量し、純水0.4gに十分に溶解
させた後、ポリイソシアネート:アクアネート200
(日本ポリウレタン(株)製)0.15gを添加し、遠
心撹拌機で3分撹拌してペーストを作成した。
0.3 g of fullerene polyhydroxybutyl sulfonic acid powder was weighed and sufficiently dissolved in 0.4 g of pure water, and then polyisocyanate: aquanate 200
0.15 g (manufactured by Nippon Polyurethane Industry Co., Ltd.) was added and stirred with a centrifugal stirrer for 3 minutes to prepare a paste.

【0087】このペーストを20μm厚のポリテトラフ
ルオロエチレン(デュポン社製商品名:テフロン:以
下、同様)シート上で、150μmギャップのドクター
ブレードを用いて塗布し、塗布後のシートを80℃の環
境下で48時間乾燥させた後、テフロンシートより塗膜
を剥離して、フラーレンポリヒドロキシブチルスルホン
酸のウレタンポリマー化フィルムを得た。膜厚は26μ
mであった。
This paste was applied on a 20 μm thick polytetrafluoroethylene (trade name: Teflon: hereinafter the same manufactured by DuPont) sheet using a doctor blade with a 150 μm gap, and the sheet after application was placed in an environment of 80 ° C. After being dried for 48 hours, the coating film was peeled off from the Teflon sheet to obtain a urethane polymerized film of fullerene polyhydroxybutyl sulfonic acid. The film thickness is 26μ
It was m.

【0088】得られたフィルムを直径15mmに打ち抜
き、複素インピーダンスプロットを作成し、イオン伝導
度を測定した。同試料を湿度60%の雰囲気にて測定す
ると、20℃にて5×10-4Scm-1、50℃にて2×
10-3Scm-1、85℃にて6×10-3Scm-1であっ
た。同試料を湿度100%の雰囲気にて測定すると、8
5℃にて6×10-3Scm-1であった。
The obtained film was punched to have a diameter of 15 mm, a complex impedance plot was prepared, and the ionic conductivity was measured. When the same sample was measured in an atmosphere with a humidity of 60%, it was 5 × 10 −4 Scm −1 at 20 ° C. and 2 × at 50 ° C.
It was 10 −3 Scm −1 and 6 × 10 −3 Scm −1 at 85 ° C. When the same sample was measured in an atmosphere of 100% humidity, it was 8
It was 6 × 10 −3 Scm −1 at 5 ° C.

【0089】実施例5 <フラーレンポリヒドロキシオキシブチルスルホン酸の
ウレタンポリマー化>
Example 5 <Urethane polymerization of fullerene polyhydroxyoxybutyl sulfonic acid>

【0090】[0090]

【化8】 [Chemical 8]

【0091】フラーレンポリヒドロキシオキシブチルス
ルホン酸の粉末0.3gを秤量し、純水0.4gに十分
に溶解させた後、ポリイソシアネート:アクアネート2
00(日本ポリウレタン(株)製)0.15gを添加
し、遠心撹拌機で3分撹拌してペーストを作成した。
0.3 g of powder of fullerene polyhydroxyoxybutyl sulfonic acid was weighed and sufficiently dissolved in 0.4 g of pure water, and then polyisocyanate: aquanate 2
0.15 g of 00 (manufactured by Nippon Polyurethane Industry Co., Ltd.) was added, and the mixture was stirred with a centrifugal stirrer for 3 minutes to prepare a paste.

【0092】このペーストを20μm厚のテフロンシー
ト上で、150μmギャップのドクターブレードを用い
て塗布し、塗布後のシートを80℃の環境下で48時間
乾燥させた後、テフロンシートより塗膜を剥離して、フ
ラーレンポリヒドロキシオキシブチルスルホン酸のウレ
タンポリマー化フィルムを得た。膜厚は26μmであっ
た。
This paste was applied onto a Teflon sheet having a thickness of 20 μm using a doctor blade having a gap of 150 μm, and the applied sheet was dried in an environment of 80 ° C. for 48 hours, and then the coating film was peeled off from the Teflon sheet. Thus, a urethane polymerized film of fullerene polyhydroxyoxybutyl sulfonic acid was obtained. The film thickness was 26 μm.

【0093】得られたフィルムを直径15mmに打ち抜
き、複素インピーダンスプロットを作成し、イオン伝導
度を測定した。同試料を湿度60%の雰囲気にて測定す
ると、20℃にて5×10-4Scm-1、50℃にて3×
10-3Scm-1、85℃にて6×10-3Scm-1であっ
た。同試料を湿度100%の雰囲気にて測定すると、8
5℃にて7×10-3Scm-1であった。
The obtained film was punched out to a diameter of 15 mm, a complex impedance plot was prepared, and the ionic conductivity was measured. When the same sample was measured in an atmosphere with a humidity of 60%, it was 5 × 10 −4 Scm −1 at 20 ° C. and 3 × at 50 ° C.
It was 10 −3 Scm −1 and 6 × 10 −3 Scm −1 at 85 ° C. When the same sample was measured in an atmosphere of 100% humidity, it was 8
It was 7 × 10 −3 Scm −1 at 5 ° C.

【0094】実施例6 <フラーレンポリヒドロキシブチルスルホン酸のポリビ
ニルアルコールのウレタン架橋ポリマー化>
Example 6 <Polyurethane cross-linking of polyvinyl alcohol of fullerene polyhydroxybutyl sulfonic acid>

【0095】[0095]

【化9】 [Chemical 9]

【0096】フラーレンポリヒドロキシブチルスルホン
酸の粉末0.3gを秤量し、純水0.4gに十分に溶解
させた後、ポリビニルアルコール(PVA)0.05
g、ポリイソシアネート:アクアネート200(日本ポ
リウレタン(株)製)0.10gを添加し、遠心撹拌機
で3分撹拌してペーストを作成した。
0.3 g of fullerene polyhydroxybutyl sulfonic acid powder was weighed and sufficiently dissolved in 0.4 g of pure water, and then polyvinyl alcohol (PVA) 0.05
g, polyisocyanate: Aquanate 200 (manufactured by Nippon Polyurethane Co., Ltd.) 0.10 g was added, and the mixture was stirred for 3 minutes with a centrifugal stirrer to prepare a paste.

【0097】このペーストを20μm厚のテフロンシー
ト上に、150μmギャップのドクターブレードを用い
て塗布し、塗布後のシートを80℃の環境下で48時間
乾燥させた後、テフロンシートより塗膜を剥離して、フ
ラーレンポリヒドロキシブチルスルホン酸のPVAウレ
タン架橋フィルムを得た。膜厚は28μmであった。
This paste was applied onto a Teflon sheet having a thickness of 20 μm using a doctor blade having a gap of 150 μm, and the applied sheet was dried at 80 ° C. for 48 hours, and then the coating film was peeled off from the Teflon sheet. Then, a PVA urethane cross-linked film of fullerene polyhydroxybutyl sulfonic acid was obtained. The film thickness was 28 μm.

【0098】得られたフィルムを直径15mmに打ち抜
き、複素インピーダンスプロットを作成し、イオン伝導
度を測定した。同試料を湿度60%の雰囲気にて測定す
ると、20℃にて4×10-4Scm-1、50℃にて1×
10-3Scm-1、85℃にて5×10-3Scm-1であっ
た。同試料を湿度100%の雰囲気にて測定すると、8
5℃にて5×10-3Scm-1であった。
The obtained film was punched out to a diameter of 15 mm, a complex impedance plot was prepared, and the ionic conductivity was measured. When the same sample was measured in an atmosphere with a humidity of 60%, it was 4 × 10 −4 Scm −1 at 20 ° C. and 1 × at 50 ° C.
It was 10 −3 Scm −1 and 5 × 10 −3 Scm −1 at 85 ° C. When the same sample was measured in an atmosphere of 100% humidity, it was 8
It was 5 × 10 −3 Scm −1 at 5 ° C.

【0099】実施例7 <フラーレンポリブチルスルホン酸ポリアミンのウレア
架橋ポリマー化>
Example 7 <Urea cross-linking polymerization of fullerene polybutyl sulfonic acid polyamine>

【0100】[0100]

【化10】 [Chemical 10]

【0101】フラーレンポリブチルスルホン酸ポリアミ
ンの粉末0.3gを秤量し、純水0.4gに十分に溶解
させた後、ポリイソシアネート:アクアネート200
(日本ポリウレタン(株)製)0.15gを添加し、遠
心撹拌機で3分撹拌してペーストを作成した。
0.3 g of fullerene polybutyl sulfonic acid polyamine powder was weighed and sufficiently dissolved in 0.4 g of pure water, and then polyisocyanate: aquanate 200
0.15 g (manufactured by Nippon Polyurethane Industry Co., Ltd.) was added and stirred with a centrifugal stirrer for 3 minutes to prepare a paste.

【0102】このペーストを20μm厚のテフロンシー
ト上で、150μmギャップのドクターブレードを用い
て塗布し、塗布後のシートを80℃の環境下で48時間
乾燥させた後、テフロンシートより塗膜を剥離して、フ
ラーレンポリブチルスルホン酸ポリアミンのウレア架橋
フィルムを得た。膜厚は27μmであった。
This paste was applied on a Teflon sheet having a thickness of 20 μm using a doctor blade having a gap of 150 μm, and the applied sheet was dried at 80 ° C. for 48 hours, and then the coating film was peeled off from the Teflon sheet. Thus, a urea cross-linked film of fullerene polybutyl sulfonate polyamine was obtained. The film thickness was 27 μm.

【0103】得られたフィルムを直径15mmに打ち抜
き、複素インピーダンスプロットを作成し、イオン伝導
度を測定した。同試料を湿度60%の雰囲気にて測定す
ると、20℃にて5×10-4Scm-1、50℃にて1×
10-3Scm-1、85℃にて5×10-3Scm-1であっ
た。同試料を湿度100%の雰囲気にて測定すると、8
5℃にて5×10-3Scm-1であった。
The obtained film was punched out to a diameter of 15 mm, a complex impedance plot was prepared, and the ionic conductivity was measured. When the same sample is measured in an atmosphere with a humidity of 60%, it is 5 × 10 −4 Scm −1 at 20 ° C. and 1 × at 50 ° C.
It was 10 −3 Scm −1 and 5 × 10 −3 Scm −1 at 85 ° C. When the same sample was measured in an atmosphere of 100% humidity, it was 8
It was 5 × 10 −3 Scm −1 at 5 ° C.

【0104】実施例8 <フラーレンポリブチルスルホン酸のクロスカップリン
グポリマーの合成>
Example 8 <Synthesis of cross-coupling polymer of fullerene polybutyl sulfonic acid>

【0105】[0105]

【化11】 [Chemical 11]

【0106】フラーレンポリブチルスルホン酸ナトリウ
ムの粉末1gのジメトキシエタン溶液に、予め調製して
おいたナトリウムナフタレニドのジメトキシエタン溶液
を5当量加え、室温にて窒素雰囲気下で2時間撹拌した
後、1,12−ジブロモドデカンを4当量加え、さらに
室温にて窒素雰囲気下で12時間撹拌した。
To 1 g of a solution of sodium fullerene polybutylsulfonate powder in dimethoxyethane was added 5 equivalent of a previously prepared solution of sodium naphthalenide in dimethoxyethane, and the mixture was stirred at room temperature under a nitrogen atmosphere for 2 hours. 4 equivalents of 1,12-dibromododecane were added, and the mixture was further stirred at room temperature under a nitrogen atmosphere for 12 hours.

【0107】メタノールを加えて反応を止め、濾過して
沈澱物を集めた。これによって得られた沈澱物を塩酸処
理して、目的の化合物を得た。得られた化合物は水に対
して不溶性であった。
The reaction was stopped by adding methanol, and the precipitate was collected by filtration. The precipitate thus obtained was treated with hydrochloric acid to obtain the target compound. The obtained compound was insoluble in water.

【0108】次に、このフラーレンポリブチルスルホン
酸のクロスカップリングポリマーの粉末80mgを測り
とり、直径15mmの円形ペレット状になるように一方
向に、約5トン/cm2でプレスした。
Next, 80 mg of the powder of the full-coupling polymer of fullerene polybutyl sulfonic acid was weighed and pressed in one direction at a rate of about 5 ton / cm 2 so as to form a circular pellet having a diameter of 15 mm.

【0109】こうして作成したペレットを用いて複素イ
ンピーダンスプロットを作成し、イオン伝導度を測定し
た。同試料を湿度90%の雰囲気にて測定すると、20
℃にて1.6×10-4Scm-1、50℃にて7×10-3
Scm-1、85℃にて7×10-3Scm-1、95℃にて
1×10-2Scm-1であった。
A complex impedance plot was prepared using the pellets thus prepared, and the ionic conductivity was measured. When the same sample was measured in an atmosphere with a humidity of 90%, it was 20
1.6 × 10 -4 Scm -1 at ℃, 7 × 10 -3 at 50 ℃
Scm -1, 7 × 10 -3 Scm -1 at 85 ° C., was 1 × 10 -2 Scm -1 at 95 ° C..

【0110】[0110]

【発明の効果】本発明は、上述したように、カチオン伝
導体において、スルホン酸基等のプロトン解離性の酸性
基を有する2価の有機残基がフラーレン分子に結合して
いるので、常温常湿(又は無加湿)の条件下でも、前記
酸性基によって移送サイトが多くて高いプロトン伝導性
を示すと共に、この酸性基をフラーレン分子に結合する
有機残基は加水分解等の分解を受け難いために、水が存
在していても酸性基が分解を生じることなしにフラーレ
ン分子に保持され、高いプロトン伝導性を長時間保持す
ることができる。
INDUSTRIAL APPLICABILITY As described above, according to the present invention, in the cation conductor, a divalent organic residue having a proton-dissociable acidic group such as a sulfonic acid group is bonded to a fullerene molecule, so that it is kept at room temperature. Even under humid (or non-humidified) conditions, the acidic groups have many transport sites and exhibit high proton conductivity, and the organic residue that binds the acidic groups to fullerene molecules is less susceptible to decomposition such as hydrolysis. In addition, even if water is present, the acidic group is retained by the fullerene molecule without causing decomposition, and high proton conductivity can be retained for a long time.

【0111】しかも、フラーレン分子に結合した前記置
換基の存在によって、この置換基(又は有機残基)を介
してフラーレン分子を重合体中に結合させる(特に三次
元架橋構造を形成する)ことが可能となるか、或いは結
合させているので、こうした重合体化によって、常温を
含む広い温度範囲(少なくとも0℃〜130℃)で分解
が生起せず、高温における流動性が抑制され、化学的に
も安定であり、また、前記酸性基の導入量を増加させて
も水に対して不溶な三次元架橋構造をとることが可能と
なり、燃料電池等の電気化学デバイスの稼動時に存在若
しくは生成する水に対して溶け出すことがなく、従っ
て、長時間安定して高いプロトン伝導性を示すことにな
る。
Moreover, due to the presence of the above-mentioned substituent bonded to the fullerene molecule, the fullerene molecule can be bonded to the polymer through this substituent (or organic residue) (in particular, a three-dimensional crosslinked structure is formed). Since it becomes possible or is bonded, decomposition due to such polymerization does not occur in a wide temperature range including at room temperature (at least 0 ° C to 130 ° C), fluidity at high temperature is suppressed, and Is stable, and even if the amount of the acidic group introduced is increased, it becomes possible to form a three-dimensional crosslinked structure that is insoluble in water, and water existing or generated during the operation of an electrochemical device such as a fuel cell is generated. Therefore, it does not melt out, and thus shows stable high proton conductivity for a long time.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明に基づくフラーレン誘導体、例えばフラ
ーレンポリヒドロキシアルキルスルホン酸の化学構造を
示す概略図である。
1 is a schematic diagram showing the chemical structure of a fullerene derivative according to the present invention, for example, fullerene polyhydroxyalkyl sulfonic acid.

【図2】同、フラーレンポリヒドロキシアルキルスルホ
ン酸の合成スキームを示す概略図である。
FIG. 2 is a schematic diagram showing a synthetic scheme of fullerene polyhydroxyalkylsulfonic acid.

【図3】本発明に基づく他のフラーレン誘導体のポリマ
ー、例えばフラーレンポリヒドロキシアルキルスルホン
酸のウレタンポリマーの化学構造を示す概略図である。
FIG. 3 is a schematic diagram showing the chemical structure of a polymer of another fullerene derivative according to the present invention, for example, a urethane polymer of fullerene polyhydroxyalkyl sulfonic acid.

【図4】同、フラーレンポリヒドロキシアルキルスルホ
ン酸のウレタンポリマーの合成スキームを示す概略図で
ある。
FIG. 4 is a schematic diagram showing a synthetic scheme of a urethane polymer of fullerene polyhydroxyalkyl sulfonic acid.

【図5】本発明に基づく例えばフラーレンポリヒドロキ
シアルキルスルホン酸又はそのポリマーをプロトン伝導
体として用いた一実施の形態による燃料電池の概略断面
図(A)と動作原理図(B)である。
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view (A) and an operation principle diagram (B) of a fuel cell according to one embodiment using, for example, fullerene polyhydroxyalkyl sulfonic acid or a polymer thereof according to the present invention as a proton conductor.

【図6】本発明の実施例で得られたフラーレンポリプロ
ピルスルホン酸のFT−IRの測定結果を示すスペクト
ル図である。
FIG. 6 is a spectrum diagram showing the FT-IR measurement results of fullerene polypropyl sulfonic acid obtained in the examples of the present invention.

【図7】同、フラーレンポリプロピルスルホン酸のTO
F−MSの測定結果を示すスペクトル図である。
FIG. 7: TO of fullerene polypropyl sulfonic acid
It is a spectrum figure which shows the measurement result of F-MS.

【図8】同、フラーレンポリヒドロキシプロピルスルホ
ン酸のFT−IRの測定結果を示すスペクトル図であ
る。
FIG. 8 is a spectrum diagram showing the measurement results of FT-IR of fullerene polyhydroxypropyl sulfonic acid.

【図9】本発明の他の実施例で得られたフラーレンポリ
ブチルスルホン酸のFT−IRの測定結果を示すスペク
トル図である。
FIG. 9 is a spectral diagram showing the FT-IR measurement results of fullerene polybutyl sulfonic acid obtained in another example of the present invention.

【図10】同、フラーレンポリブチルスルホン酸のTO
F−MSの測定結果を示すスペクトル図である。
FIG. 10: TO of fullerene polybutyl sulfonic acid
It is a spectrum figure which shows the measurement result of F-MS.

【図11】同、フラーレンポリヒドロキシブチルスルホ
ン酸のFT−IRの測定結果を示すスペクトル図であ
る。
FIG. 11 is a spectrum diagram showing the measurement results of FT-IR of fullerene polyhydroxybutyl sulfonic acid.

【図12】同、他のフラーレンポリブチルスルホン酸の
TOF−MSの測定結果を示すスペクトル図である。
FIG. 12 is a spectrum diagram showing the result of TOF-MS measurement of another fullerene polybutyl sulfonic acid.

【図13】同、他のフラーレンポリブチルスルホン酸の
TOF−MSの測定結果を示すスペクトル図である。
FIG. 13 is a spectrum diagram showing the result of TOF-MS measurement of another fullerene polybutyl sulfonic acid.

【図14】同、他のフラーレンポリブチルスルホン酸の
TOF−MSの測定結果を示すスペクトル図である。
FIG. 14 is a spectrum diagram showing the TOF-MS measurement results of another fullerene polybutyl sulfonic acid.

【図15】同、他のフラーレンポリブチルスルホン酸の
TOF−MSの測定結果を示すスペクトル図である。
FIG. 15 is a spectrum diagram showing a result of TOF-MS measurement of another fullerene polybutyl sulfonic acid.

【図16】同、更に他のフラーレンポリブチルスルホン
酸のTOF−MSの測定結果を示すスペクトル図であ
る。
FIG. 16 is a spectrum diagram showing measurement results of TOF-MS of still another fullerene polybutyl sulfonic acid.

【図17】本発明の更に他の実施例で得られたフラーレ
ンポリヒドロキシオキシブチルスルホン酸のFT−IR
の測定結果を示すスペクトル図である。
FIG. 17: FT-IR of fullerene polyhydroxyoxybutyl sulfonic acid obtained in still another example of the present invention
It is a spectrum figure which shows the measurement result of.

【図18】フラーレン分子の構造図である。FIG. 18 is a structural diagram of a fullerene molecule.

【図19】フラーレン誘導体の一例であるポリ水酸化フ
ラーレン(A)とその硫酸水素エステル(B)をプロト
ン伝導体に用いる例の概略図である。
FIG. 19 is a schematic view of an example in which polyhydroxylated fullerene (A), which is an example of a fullerene derivative, and hydrogen sulfate (B) thereof are used as a proton conductor.

【符号の説明】 1…プロトン伝導部、2…第1極(水素極)、2a…触
媒、3…第2極(酸素極)、3a…触媒、14…水素、
19…酸素(又は空気)
[Explanation of reference numerals] 1 ... Proton conducting part, 2 ... First electrode (hydrogen electrode), 2a ... Catalyst, 3 ... Second electrode (oxygen electrode), 3a ... Catalyst, 14 ... Hydrogen,
19 ... Oxygen (or air)

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 猪俣 浩二 東京都品川区北品川6丁目7番35号 ソニ ー株式会社内 Fターム(参考) 4H006 AA01 AB46 AB84 5G301 CD01 5H026 AA02 AA06 CX05 EE17    ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (72) Inventor Koji Inomata             6-735 Kita-Shinagawa, Shinagawa-ku, Tokyo Soni             -Inside the corporation F-term (reference) 4H006 AA01 AB46 AB84                 5G301 CD01                 5H026 AA02 AA06 CX05 EE17

Claims (20)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 酸性基を有する有機残基と、他の置換基
とがフラーレン分子にそれぞれ結合してなるカチオン伝
導体。
1. A cation conductor comprising an organic residue having an acidic group and another substituent bonded to a fullerene molecule.
【請求項2】 酸性基を有する有機残基と、他の置換基
又は有機残基とがフラーレン分子にそれぞれ結合すると
共に、前記置換基又は有機残基を介して前記フラーレン
分子が重合体中に結合してなるカチオン伝導体。
2. An organic residue having an acidic group and another substituent or organic residue are bonded to a fullerene molecule, respectively, and the fullerene molecule is incorporated into the polymer via the substituent or organic residue. A cation conductor formed by bonding.
【請求項3】 前記有機残基の炭素数が1〜20であ
る、請求項1又は2に記載したカチオン伝導体。
3. The cation conductor according to claim 1, wherein the organic residue has 1 to 20 carbon atoms.
【請求項4】 前記有機残基がフラーレン1分子に対し
て2〜14個結合し、前記置換基がフラーレン1分子に
対して1個以上結合している、請求項1又は2に記載し
たカチオン伝導体。
4. The cation according to claim 1, wherein the organic residue has 2 to 14 bonds to one fullerene molecule, and the substituent has one or more bonds to one fullerene molecule. Conductor.
【請求項5】 前記酸性基が、スルホン酸基、カルボキ
シル基又はリン酸基等のプロトン解離性の基である、請
求項1又は2に記載したカチオン伝導体。
5. The cation conductor according to claim 1, wherein the acidic group is a proton dissociative group such as a sulfonic acid group, a carboxyl group or a phosphoric acid group.
【請求項6】 前記置換基が、ヘテロ原子を含む官能
基、又は活性水素を有する活性置換基である、請求項1
又は2に記載したカチオン伝導体。
6. The substituent is a functional group containing a hetero atom, or an active substituent having active hydrogen.
Or the cation conductor described in 2.
【請求項7】 前記置換基が架橋剤によって架橋されて
いる、請求項2に記載したカチオン伝導体。
7. The cation conductor according to claim 2, wherein the substituent is crosslinked with a crosslinking agent.
【請求項8】 前記有機残基によって前記フラーレン分
子が架橋されている、請求項2に記載したカチオン伝導
体。
8. The cation conductor according to claim 2, wherein the fullerene molecule is crosslinked by the organic residue.
【請求項9】 前記フラーレン分子が球状炭素分子Cm
(m=36、60、70、76、78、80、82、8
4等の、球状分子を形成しうる自然数)からなる、請求
項1又は2に記載したカチオン伝導体。
9. The fullerene molecule is a spherical carbon molecule C m.
(M = 36, 60, 70, 76, 78, 80, 82, 8
The cation conductor according to claim 1 or 2, which is composed of a natural number capable of forming a spherical molecule, such as 4.
【請求項10】 プロトン伝導体として機能する、請求
項1又は2に記載したカチオン伝導体。
10. The cation conductor according to claim 1, which functions as a proton conductor.
【請求項11】 酸性基を有する有機残基と、他の置換
基とがフラーレン分子にそれぞれ結合してなるカチオン
伝導体が、第1極と第2極との間に配されている電気化
学デバイス。
11. An electrochemical in which a cation conductor formed by binding an organic residue having an acidic group and another substituent to a fullerene molecule is arranged between a first pole and a second pole. device.
【請求項12】 酸性基を有する有機残基と、他の置換
基又は有機残基とがフラーレン分子にそれぞれ結合する
と共に、前記置換基又は有機残基を介して前記フラーレ
ン分子が重合体中に結合してなるカチオン伝導体が、第
1極と第2極との間に配されている電気化学デバイス。
12. An organic residue having an acidic group and another substituent or organic residue are bonded to a fullerene molecule, respectively, and the fullerene molecule is incorporated into a polymer through the substituent or organic residue. An electrochemical device in which a cation conductor formed by bonding is arranged between a first pole and a second pole.
【請求項13】 前記有機残基の炭素数が1〜20であ
る、請求項11又は12に記載した電気化学デバイス。
13. The electrochemical device according to claim 11, wherein the organic residue has 1 to 20 carbon atoms.
【請求項14】 前記有機残基がフラーレン1分子に対
して2〜14個結合し、前記置換基がフラーレン1分子
に対して1個以上結合している、請求項11又は12に
記載した電気化学デバイス。
14. The electricity according to claim 11, wherein the organic residue has 2 to 14 bonds to one fullerene molecule, and the substituent has one or more bonds to one fullerene molecule. Chemical device.
【請求項15】 前記酸性基が、スルホン酸基、カルボ
キシル基又はリン酸基等のプロトン解離性の基である、
請求項11又は12に記載した電気化学デバイス。
15. The acidic group is a proton dissociative group such as a sulfonic acid group, a carboxyl group or a phosphoric acid group.
The electrochemical device according to claim 11 or 12.
【請求項16】 前記置換基が、ヘテロ原子を含む官能
基、又は活性水素を有する活性置換基である、請求項1
1又は12に記載した電気化学デバイス。
16. The substituent is a functional group containing a hetero atom, or an active substituent having active hydrogen.
The electrochemical device described in 1 or 12.
【請求項17】 前記置換基が架橋剤によって架橋され
ている、請求項12に記載した電気化学デバイス。
17. The electrochemical device according to claim 12, wherein the substituent is crosslinked with a crosslinking agent.
【請求項18】 前記有機残基によって前記フラーレン
分子が架橋されている、請求項12に記載した電気化学
デバイス。
18. The electrochemical device according to claim 12, wherein the fullerene molecule is crosslinked by the organic residue.
【請求項19】 前記フラーレン分子が球状炭素分子C
m(m=36、60、70、76、78、80、82、
84等の、球状分子を形成しうる自然数)からなる、請
求項11又は12に記載した電気化学デバイス。
19. The fullerene molecule is a spherical carbon molecule C.
m (m = 36, 60, 70, 76, 78, 80, 82,
Electrochemical device according to claim 11 or 12, consisting of a natural number capable of forming spherical molecules, such as 84.
【請求項20】 前記カチオン伝導体からなるプロトン
伝導部が水素極と酸素極との間に配された燃料電池とし
て構成された、請求項11又は12に記載した電気化学
デバイス。
20. The electrochemical device according to claim 11 or 12, wherein the proton conducting part made of the cation conductor is configured as a fuel cell arranged between a hydrogen electrode and an oxygen electrode.
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